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离子注入

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法国图卢兹LAAS技术设施中的一台离子注入系统

离子布植是一种低温工艺，通过该工艺，可将特定离子在电场里加速，然后嵌入到另一固体靶材之中。如果注入离子在靶材内停留不逸出，就会改变靶材的元素成分。使用这个技术可以改变固体材料的物理、化学或电学性质，现在已经广泛应用于半导体器件制造和某些材料科学研究。离子注入带有能量的碰撞级联（英语：Collision cascade）可能损伤甚至破坏靶材的晶体结构，当离子能量足够高（数十兆电子伏特）时，还可能导致核嬗变。

原理

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带有质量分离器的离子注入装置示意图

离子注入设备通常由一个离子源（用于产生所需离子种类）、一个粒子加速器（通过静电或射频方式将离子加速至高能）、以及一个靶材室组成，离子在此轰击被注入物质。因此，离子注入是粒子辐射的一种特殊形式。每个离子通常为单个原子或分子，注入量等于离子电流随时间的累积，称为剂量。由于注入电流一般较小（微安级），因此在合理时间内可注入的剂量也较少，故离子注入多用于需要微量化学修饰的场合。

典型离子的能量范围为10-500 keV（1600-80000 aJ）。1-10 keV（160-1600 aJ）的低能注入可用，但仅能渗透数纳米或更浅；能量更低则对靶材损伤极小，称为离子束沉积（英语：Ion beam deposition）。高能注入器（如可达5 MeV的加速器）也很常见，但会对靶材造成严重结构损伤，且由于布拉格尖峰分布宽，任一点的成分改变均有限。

离子能量、离子种类及靶材成分共同决定其在固体中的注入深度：单能离子束通常具有较宽的深度分布，其平均渗透深度称为离子射程。一般离子射程介于10  nm至1 μm之间，因此离子注入特别适合表面改性。离子在固体中逐渐损失能量，既有与靶原子的偶发碰撞（造成瞬时能量转移），也有电子轨道重叠产生的连续能量阻碍，这一能量损失过程称为阻止功率（英语：Stopping power (particle radiation)），可用二元碰撞近似（英语：Binary collision approximation）方法模拟。

根据加速器系统性能，离子注入可分为中电流（10 μA至约2 mA）、高电流（最高约30 mA）、高能（能量200 keV至10 MeV）及超高剂量（注入剂量大于1016 ions/cm2）四种类型。[1][2][3]

所有离子注入束线设计都包含若干功能单元。第一段为离子源，用于产生所需离子，并通过偏置电极提取入束线，随后常配合某种离子种类选择装置，将特定离子输送至主加速区。

离子源

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离子源通常由高熔点材料制成，如钨、掺铈钨（氧化镧钨）、钼和钽。氧化镧可延长离子源寿命。[4]源内常在两根钨电极（反射极）间产生等离子体，气体通常含有欲注入离子的氟或氢，例如三氟化硼[5]、二氟化硼[6]、四氟化锗或四氟化硅[7]。可使用砷化氢气体或磷化氢气体提供砷或磷离子[8]。离子源还配有间接加热阴极；阴极亦可兼作反射极，从而省去独立反射极[9][10][11]；亦有直接加热阴极设计[12]。

含氧气体（氧化物）可用于提供注入离子的气体，例如用于注入碳的二氧化碳。氢气或混有氙、氪、氩的氢气可加入等离子体中，以延缓钨部件因卤素循环而退化。[7][11][13][6] 氢气可来自高压钢瓶，也可由电解制氢装置产生。[14]离子源两端的排斥极不断将原子从一端移向另一端，类似两面相对的镜子不断反射光线。[9]

离子通过离子源外的提取电极，经源体狭缝状小孔被提取出来，[15][16]然后离子束通过分析磁体以筛选将要注入的离子，再通过一至两个线性加速器（linac）[17]加速后，离子在工艺室到达晶圆前完成能量提升。[14]在中电流注入器中，工艺室前还设有中性离子捕捉装置，以去除离子束中的中性粒子。[18]

某些掺杂剂如铝常不是以气体形式提供给离子源，而是以基于氯或碘的固态化合物形式在附近坩埚中汽化，例如碘化铝或氯化铝；也可在离子源内使用氧化铝或氮化铝固体溅射靶。[14]注入锑通常需在离子源上连接雾化器，将三氟化锑、三氧化二锑或固体锑在坩埚中汽化，并通过载气将蒸气输送至邻近离子源；也可采用含氟气体（如六氟化锑）或从液态五氟化锑汽化的方式注入。[7]镓、硒和铟常由固体源注入，如用二氧化硒注入硒，也可由硒化氢注入。坩埚寿命通常为60-100小时，使得注入器在20-30分钟内无法更换工艺配方或参数。离子源寿命通常约为300小时。[6][7]

“质量”选择（类似于质谱仪）通常伴随让提取出的离子束通过受阻通道或“狭缝”限制的磁场区域，仅允许具有特定质量与速度/电荷乘积的离子继续前行。若靶面大于离子束直径且需获得均匀植入剂量，则通过束扫描与晶圆运动相结合来实现。最后，将植入表面与某种累积离子电荷的收集方法耦合，以连续测量输出剂量，并在达到预定剂量时停止注入过程。[19]

“离子注入”的各地常用名称
中国大陆离子注入
港澳离子注入[20]
台湾离子布植[21]、离子植入[22]

参见

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参考

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  1. ^ Ion Implantation ! Semiconductor Digest. [2021-06-21]. （原始内容存档于2025-04-27） （美国英语）. 
  2. ^ Ion Implantation in Silicon Technology (PDF). [2024-03-02]. （原始内容存档 (PDF)于2025-03-17）. 
  3. ^ Ion implantation in CMOS Technology: Machine Challenges. Ion Implantation and Synthesis of Materials. 2006: 213–238. ISBN 978-3-540-23674-0. doi:10.1007/978-3-540-45298-0_15. 
  4. ^ 存档副本 (PDF). [2025-07-21]. （原始内容存档 (PDF)于2025-05-09）. 
  5. ^ Rimini, Emanuele. Ion Implantation: Basics to Device Fabrication. Springer. 27 November 2013. ISBN 978-1-4615-2259-1. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Hsieh, Tseh-Jen; Colvin, Neil. Improved ion source stability using H2 co-gas for fluoride based dopants. 2014 20th International Conference on Ion Implantation Technology (IIT). 2014: 1–4. ISBN 978-1-4799-5212-0. doi:10.1109/IIT.2014.6940042. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Source Materials Enable the Evolution of the Ion-Implantation Process. 8 February 2020 [2025-07-21]. （原始内容存档于2025-05-13）. 
  8. ^ Stellman, Jeanne Mager. Encyclopaedia of Occupational Health and Safety. International Labour Organization. 28 February 1998. ISBN 978-92-2-109816-4. 
  9. ^ 9.0 9.1 Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. CRC Press. 19 December 2017. ISBN 978-1-4200-1766-3. 
  10. ^ Horsky, Thomas N. Indirectly heated cathode arc discharge source for ion implantation of semiconductors. Review of Scientific Instruments. April 1998, 69 (4): 1688–1690. Bibcode:1998RScI...69.1688H. doi:10.1063/1.1148866. 
  11. ^ 11.0 11.1 Tanjyo, Masayasu; Naito, Masao. History of Ion Implanter and Its Future Perspective (PDF). global-sei.com. （原始内容存档 (PDF)于1 December 2024）. 
  12. ^ Sakai, Shigeki; Hamamoto, Nariaki; Inouchi, Yutaka; Umisedo, Sei; Miyamoto, Naoki. Ion sources for ion implantation technology (invited). Review of Scientific Instruments. February 2014, 85 (2): 02C313. Bibcode:2014RScI...85bC313S. PMID 24593650. doi:10.1063/1.4852315. 
  13. ^ Hsieh, Tseh-Jen; Colvin, Neil K. Exemplary Ion Source for the Implanting of Halogen and Oxygen Based Dopant Gases. 2016 21st International Conference on Ion Implantation Technology (IIT). 2016: 1–4. ISBN 978-1-5090-2024-9. doi:10.1109/IIT.2016.7882870. 
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 Production-worthy Al beams for SiC applications (PDF). www.axcelis.com. （原始内容存档 (PDF)于18 February 2024）. 
  15. ^ Henderson, Christopher. Ion Implanation Part 1 - Equipment (PDF). www.semitracks.com. Semitracks. （原始内容存档 (PDF)于18 February 2024）. 
  16. ^ Walther, S.R.; Pedersen, B.O.; McKenna, C.M. Ion sources for commercial ion implanter applications. Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference. 1991: 2088–2092. ISBN 0-7803-0135-8. doi:10.1109/PAC.1991.164876. 
  17. ^ Satoh, Shu; Platow, Wilhelm; Kondratenko, Serguei; Rubin, Leonard; Mayfield, Patrick; Lessard, Ron; Bonacorsi, Genise; Jen, Causon; Whalen, Paul; Newman, Russ. Purion XEmax, Axcelis ultra-high energy implanter with Boost™ technology. MRS Advances. 10 January 2023, 7 (36): 1490–1494. doi:10.1557/s43580-022-00442-9. 
  18. ^ Fundamentals of Semiconductor Manufacturing and Process Control. John Wiley & Sons. 26 May 2006. ISBN 978-0-471-79027-3. 
  19. ^ Hamm, Robert W.; Hamm, Marianne E. Industrial Accelerators and Their Applications. World Scientific. 2012. ISBN 978-981-4307-04-8. 
  20. ^ 離子注入與電鍍實驗室. 香港科技大学纳米系统制造实验所. [2023-11-19]. （原始内容存档于2020-02-19）. 
  21. ^ 離子佈植. 乐词网. 国家教育研究院. [2023-12-25] （中文（台湾））. 
  22. ^ 離子植入法. 乐词网. 国家教育研究院. [2023-12-25] （中文（台湾））. 

外部链接

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维基共享资源上的相关多媒体资源：离子注入
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